artigo engrenagem

na

fabricação de dutos em função de sua composição química e resistência mecânica,

seguindo a norma API-5L. De acordo com a norma, os algarismos identificam o aço em

função do limite de escoamento mínimo aceito, em ksi (lb/in2). (HIPPERT Jr., 2003),

figura 2.1. Na tabela 2.1, é apresentada a composição química de alguns aços API.

Figura 2.1: Tensão limite de escoamento mínima para classes de aço API (Disponível

em http://www.usiminas.com.br/produtos (acesso em 08/02/2005)).

 3

Tabela 2.1: Composição química dos aços API fabricados pela USIMINAS

Composição Química (%) Grau

API 5L
Espessura

(mm) C Mn Si P S Nb Ti Mo V Ni Cu Cr

A 0,90

B
0,20

1,15

X42 1,25

X46 1,35

X52 1,25

X56 1,35

0,065 0,030

X60

6,00~38,10

1,35

X65

0,16

1,25

X70
6,00~25,40

0,15 1,35

0,35 0,025 0,025

0,075 0,25 0,070 0,35 0,40 0,25

Disponível em http://www.usiminas.com.br/produtos (acesso em 08/02/2005)

A composição química do aço determina as características para sua

aplicação. Nesse sentido, SILVA (2001) descreve a influência dos principais elementos

de liga nos aços, são eles:

ƒ Carbono (C) – O aumento do teor de carbono é a maneira mais econômica
de obter resistência mecânica, principalmente no limite de escoamento, no

entanto, é prejudicial à tenacidade do material. Teores elevados

comprometem a soldabilidade do aço. Assim, limita-se o teor de carbono

em 0,3%;

ƒ Manganês (Mn) – o aumento do teor de manganês aumenta seguramente a
resistência mecânica e resistência à fadiga. Prejudica a soldabilidade,

contudo é menos prejudicial que o carbono;

ƒ Silício (Si) – Favorece a resistência mecânica (limite de escoamento) e a
resistência à corrosão, mas como os anteriores, reduz a soldabilidade;

ƒ Enxofre (S) – Muito prejudicial aos aços. Diminui a ductilidade,
tenacidade à fratura e soldabilidade.

ƒ Fósforo (P) – Aumenta o limite de resistência, favorece a resistência a
corrosão, mas diminui a soldabilidade. Diminui a ductilidade e a

tenacidade à fratura. Torna o aço frágil se ultrapassar certos teores;

 4

ƒ Cobre (Cu) – Aumenta a resistência a fadiga e à corrosão, mas reduz a
soldabilidade;

ƒ Níquel (Ni) – Aumenta a resistência mecânica e a resistência à corrosão;
ƒ Nióbio (Nb) – É um dos principais elementos de liga dos aços

microligados, sendo quase obrigatório nos aços ARBL. Pequenos teores

desse elemento aumentam concomitantemente o limite de resistência e o

limite de escoamento. Permite diminuir os teores de carbono e manganês;

ƒ Titânio (Ti) – Aumenta o limite de resistência e melhora o desempenho
mecânico em temperaturas elevadas.

2.1.1 – Aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL)

A tecnologia de exploração de óleo e gás tem exigido a busca de materiais

para tubulações que apresentem propriedades mecânicas apropriadas. Os aços de alta

resistência e baixa liga têm demonstrado propriedades mecânicas superiores,

combinando características como elevada resistência mecânica e tenacidade, atribuídas,

segundo ZHAO et al. (2002), a fatores como composição química, controle do processo

termo-mecânico de fabricação e microestrutura final adequados.

A laminação controlada, seguida por resfriamento controlado, é um dos

processos mais utilizados na obtenção de aços de alta resistência e baixa liga com uma

combinação desejável de resistência, soldabilidade e tenacidade e está associado com

diferentes mecanismos de reforço, dentre eles o refino do grão (BAKKALOGLU,

2002). O refino do tamanho do grão, segundo COSTA NETO (1989), é a questão

fundamental para otimização de propriedades nos aços de tubulação, sendo confirmado

por ZHAO et al. (2003) que atribuem ao refino do tamanho de grão o foco principal da

pesquisa em aços.

O refino do grão ferrítico é um dos procedimentos mais utilizados para o

reforço do aço, pois torna possível, concomitantemente, o aumento da tenacidade e da

resistência mecânica (HODGSON et al., 1999). MATSUMURA e YADA (1987)

atribuem o refino do grão ferrítico à transformação da austenita (γ) em ferrita (α) e à

recristalização dinâmica da ferrita, enquanto BAKKALOGLU (2002) menciona que a

 5

otimização do refino do grão ferrítico é alcançada pela maximização da área do

contorno de grão da austenita por unidade de volume.

O processo de laminação controlada utilizado no refino do grão ferrítico

segue as seguintes etapas:

1 – Deformação na região de recristalização (acima de 950°C) – Nessa

região, ciclos de deformação e recristalização são responsáveis pela

diminuição dos grãos austeníticos;

2 – Deformação na região de não-recristalização (entre 950°C e 900°C) –

Nessa região, há formação das bandas de deslizamento, que servirão de

locais para a nucleação da ferrita; além dos contornos de grãos

austeníticos;

3 – Deformação na região (α+γ) – Nessa região, além da formação das
bandas de deformação, há a ocorrência da deformação da ferrita com o

desenvolvimento de subestruturas. Durante o resfriamento, a ferrita

deformada muda para subgrão e a austenita não-recristalizada

transforma-se em grãos ferríticos. Quanto menor o tamanho do subgrão,

maior o efeito do reforço.

A adição de pequenos teores de nióbio, vanádio e titânio ao aço para

laminação controlada é outra forma de se efetuar o refino do grão. Esses elementos

formam microconstituintes que, segundo COSTA NETO (1989), atuam como fixadores

do contorno de grão austenítico, impedindo seu crescimento durante o processo de

laminação à quente como conseqüência da formação de carbonitretos e, posteriormente,

aumentando a resistência mecânica do aço devido ao endurecimento por precipitação. O

autor menciona que o Nb (C, N) é o fixador de contorno de grão mais efetivo, seguido

pelo Ti (C, N) e V (C, N), respectivamente. ZHAO et al. (2003) observaram o

endurecimento por precipitação de um aço para dutos, onde a presença de carbonitretos

de nióbio e vanádio, dispersos na matriz ferrítica, promoveu um aumento da densidade

de discordâncias, devido ao bloqueio de seu movimento, resultando no aumento da

resistência mecânica do aço.

A obtenção das propriedades mecânicas nos aços ARBL é dada em função

da temperatura de laminação e da maneira como as microadições de Nb, V ou Ti

formam carbetos, nitretos e carbonitretos (COSTA NETO, 1989). Diante do exposto,

 6

pode ser verificado que a microestrutura do aço desempenha um papel fundamental nas

suas propriedades mecânicas, relevantes ao comportamento do duto.

2.2 – ASPECTOS GERAIS DA FADIGA

Os materiais solicitados por carregamento estático, após o limite de

escoamento, iniciam o processo de deformação plástica e, com a continuidade do

carregamento, podem sofrer colapso mecânico. No entanto, a maior parte dos materiais

em engenharia é submetida a carregamentos cíclicos. Esses materiais podem fraturar,

nessas condições, a uma tensão inferior ao limite de escoamento e ao limite de

resistência. A esse tipo de falha dá-se o nome de fadiga.

A norma ASTM E 1150-87 (1993) define fadiga como “o processo de

mudança estrutural permanente, progressiva e localizada, produzido por tensões ou

deformações flutuantes em algum ponto ou pontos do material, e que pode culminar em

trincas ou fratura completa após um número suficiente de ciclos de carregamento”.

O processo de fadiga consiste em três etapas (estágios): nucleação

(iniciação) da trinca, propagação da trinca e colapso da estrutura. A iniciação das trincas

de fadiga está ligada ao acúmulo de deformação plástica, em geral na superfície do

material, mediante deslizamento dos planos cristalográficos. As trincas podem ocorrer

em defeitos ou inclusões no material, ou seja, em pontos de concentração de tensões, em

locais não homogêneos e pontos de variação abrupta da geometria da estrutura. Na

segunda etapa, as trincas geralmente se propagam perpendicularmente à direção das

tensões principais